Atomic Lift-Off Gjennombrudd: Ultralette IR-sensorer ved romtemperatur

Forskere ved MIT og samarbeidende institusjoner har utviklet en metode de kaller «atomic lift-off», der svært tynne krystallinske filmer kan løsnes fra et underlag. I en studie publisert i Nature viser de at slike filmer kan brukes i en eksperimentell sensor for fjerninfrarød stråling uten aktiv kjøling. Arbeidet gjelder materialer og en forskningsenhet, ikke ferdige nattbriller eller en kommersiell sensor.

Hvordan virker en infrarød sensor?

Infrarød stråling er elektromagnetisk stråling med lengre bølgelengde enn synlig lys. Ulike detektorer omdanner den innkommende strålingen til et elektrisk signal på forskjellige måter. Et pyroelektrisk materiale gir et signal når temperaturen endrer seg. Det gjør det mulig å oppdage endringer i varmeutstråling.

Noen avanserte infrarøde bildesensorer trenger kjøling for å redusere støy. Det gjelder ikke alle IR-sensorer. Derfor var den tidligere artikkelens påstand om at slike sensorer generelt må holdes ved flytende nitrogen-temperatur, for vidtrekkende. En detektor som fungerer ved romtemperatur kan gi enklere konstruksjon i utvalgte bruksområder, men ytelsen må sammenlignes på like vilkår.

Hvorfor er ultratynne filmer vanskelige å lage?

Krystallinske oksidfilmer dyrkes ofte på et fast underlag som gir dem ønsket struktur. For å bruke filmen separat må den løsnes uten å sprekke. Tidligere metoder har gjerne brukt et ekstra offerlag mellom filmen og underlaget. Dette kan komplisere produksjonen og påvirke hvilke materialer som kan brukes.

Forskerne fant at grenseflaten i bestemte blyholdige perovskittmaterialer kan gjøres svak nok til at membranen kan løftes av med atomær presisjon uten et kunstig frigjøringslag. De laget frittstående filmer tynnere enn 10 nanometer. Den tidligere artikkelen blandet denne metoden sammen med fjern-epitaksi gjennom grafen; grafenlaget er ikke det sentrale frigjøringsprinsippet i den nye metoden.

Materialet og måleresultatet

Blant materialene forskerne undersøkte, var PMN-PT, et pyroelektrisk oksid. Det kunne fremstilles som en svært tynn membran som beholdt nyttige elektriske egenskaper etter at den ble løsnet. Blyets rolle i bindingen ved grenseflaten var viktig for funnet. Metoden er derfor ikke uten videre dokumentert for alle tenkelige halvlederfilmer.

Studien oppgir en høy pyroelektrisk koeffisient på 1,76 × 10⁻² C m⁻² K⁻¹ for membranene. Forskerne viste en vei mot detektorer som kan dekke hele det fjerninfrarøde området uten aktiv kjøling. Dette er et måleresultat for den undersøkte material- og enhetskonstruksjonen, ikke dokumentasjon for at alle eksisterende nattkameraer allerede er overgått i pris, rekkevidde og bildekvalitet.

Mulige bruksområder

Ultratynne infrarøde detektorer kan bli interessante for lette kameraer, bærbar elektronikk, miljømåling eller romforskning. Det finnes også tenkelige anvendelser i kjøretøy som må oppdage varme objekter i mørke. Hver bruk krever videre utvikling av optikk, signalbehandling, innpakning og pålitelighet. Studien viser ikke at sensoren kan se gjennom all tåke eller kraftig regn, og den dokumenterer ikke en løsning på størrelse med en kontaktlinse.

En fremtidig produksjonsprosess må også vurderes med hensyn til råmaterialer, særlig fordi PMN-PT inneholder bly, samt kostnader, utbytte, gjentakbarhet og håndtering av avfall. En tynn film er ikke alene et komplett bildesystem.

Utvikling og selskaper

Forskerne ønsker å bygge videre på resultatet med mer funksjonelle bildesystemer. Det finnes ingen dokumentert dato for kommersiell lansering, og den tidligere spådommen om salg innen fem år var spekulativ. Teledyne Technologies arbeider med sensorer og bildebehandling, men studien viser ikke at selskapet bruker nettopp denne fremstillingsmetoden eller vil få inntekter fra den. Slike investeringspåstander må undersøkes separat.

Konklusjon

«Atomic lift-off» gjør det mulig å fremstille svært tynne, frittstående oksidmembraner uten det ekstra frigjøringslaget som tidligere var en produksjonsutfordring. Laboratorieresultatet er lovende for infrarød deteksjon ved romtemperatur. Veien til et robust, rimelig og allment tilgjengelig kamera krever fortsatt teknisk og kommersiell utvikling.